Митио Каку - Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени

• Название: Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени
• Автор: Митио Каку
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-9614-4066-9

Описывая жизнь Альберта Эйнштейна, Митио Каку погружает нас в бурлящую атмосферу первой половины XX в. – две мировые войны, революция в Германии, создание атомной бомбы. Он показывает читателю невидимый обычно за триумфальной стороной открытий и озарений мир ученого – этапы становления, баталии в научном мире, зачастую непростые отношения с близкими. В книге представлен свежий взгляд на новаторскую деятельность Эйнштейна, перевернувшего представления человечества о пространстве и времени. Автор книги, Митио Каку, – всемирно известный физик и популяризатор науки. Его умение доносить научные знания до самого широкого читателя сродни великому Эйнштейну, любившему повторять, что новая теория никуда не годится, если не базируется на зримом образе, достаточно простом, чтобы понять его мог даже ребенок. В своей книге Митио Каку не только удается увлекательно рассказать о жизни великого гения, но и дать четкое представление об открытиях Альберта Эйнштейна даже тем, кто далек от науки.

---

Представьте себе снежинку. Если повернуть ее на 60°, форма снежинки останется прежней. Математики говорят, что объекты, сохраняющие форму при вращении, «ковариантны». Минковский показал, что уравнения Эйнштейна, подобно снежинке, остаются ковариантными при повороте пространства и времени как четырехмерных объектов.

Иными словами, рождался новый физический принцип, который дополнительно прояснял работу Эйнштейна: уравнения физики должны быть ковариантны относительно преобразований Лоренца (то есть сохранять свою форму при преобразованиях Лоренца). Эйнштейн позже признает, что без четырехмерной математики Минковского теория относительности «могла надолго остаться в пеленках». Замечательно, кстати, что новая четырехмерная физика позволяла ученым сжать все уравнения теории относительности до удивительно компактной формы. Каждый студент-электротехник или физик, впервые столкнувшийся с серией Максвелла в виде восьми дифференциальных уравнений в частных производных, уверен в их невероятной сложности. А новая математика Минковского сжала уравнения Максвелла и сократила их число до всего лишь двух. (Более того, при помощи четырехмерной математики можно доказать, что уравнения Максвелла представляют собой простейшие уравнения, описывающие свет.) Впервые физики смогли оценить мощь симметрии в своих уравнениях. Ученые, говоря о «красоте и элегантности» в физике, очень часто имеют в виду, что симметрия позволяет объединить большое количество различных явлений и концепций в единую, замечательно компактную форму. Чем красивее уравнение, тем большей симметрией оно обладает и тем большее число явлений может описать в кратчайшей форме.

Таким образом, сила симметрии позволяет нам объединить разрозненные события в гармоничное неделимое целое. Поворот снежинки, к примеру, позволяет увидеть единство всех ее точек. Поворот в четырехмерном пространстве объединяет концепции пространства и времени, превращает одно в другое по мере увеличения скорости. Красивая, элегантная концепция, согласно которой симметрия объединяет несопоставимые, казалось бы, сущности в гармоничное целое, вела Эйнштейна вперед следующие 50 лет.

Парадоксально, но Эйнштейн, завершив создание специальной теории относительности, начал терять к ней интерес; он предпочитал размышлять о другом, более глубоком вопросе – о проблеме гравитации и ускорения, выходивших на первый взгляд за пределы специальной теории относительности. Эйнштейн дал жизнь теории относительности, но, как любящий родитель, сразу же заметил в ней потенциальные недостатки и попытался их исправить. (Об этом мы подробнее поговорим позже.)

Тем временем начали появляться экспериментальные доказательства некоторых его идей, что, естественно, сделало автора более заметным членом физического сообщества. Эксперимент Майкельсона – Морли был не единожды повторен, каждый раз выдавая один и тот же отрицательный результат и бросая таким образом тень сомнения на всю эфирную теорию. Эксперименты по фотоэффекту подтвердили уравнения Эйнштейна. Более того, в 1908 г. эксперименты с высокоскоростными электронами подтвердили вроде бы, что масса электрона увеличивается с ростом скорости. Вдохновленный постепенно скапливавшимися экспериментальными результатами в пользу его теорий, Эйнштейн подал документы на должность лектора (приват-доцента) в соседнем Бернском университете. Приват-доцент – должность ниже профессорской, но у нее было преимущество: можно было параллельно продолжать работу в патентном бюро. Помимо печатных работ, Эйнштейн представил и свою диссертацию по теории относительности. Поначалу глава кафедры Айме Фостер ответил ему отказом, заявив, что теория относительности невразумительна, однако вторая попытка Эйнштейна увенчалась успехом.

В 1908 г., когда доказательства того, что Эйнштейн совершил крупный прорыв в физике, появлялись одно за другим, его кандидатура всерьез рассматривалась в качестве претендента на куда более престижный пост в Цюрихском университете. Однако тут Эйнштейн столкнулся с серьезной конкуренцией со стороны старого знакомого Фридриха Адлера. Оба претендента на этот пост были евреями, что работало против них, но Адлер был сыном основателя Австрийской социал-демократической партии, которой симпатизировали многие члены факультета, и было похоже, что Эйнштейна в этой гонке обойдут. Поэтому заявление самого Адлера, который решительно высказался в пользу Эйнштейна, вызвало общее удивление. Адлер хорошо разбирался в людях и верно оценил масштаб личности Эйнштейна. Он красноречиво описал выдающиеся качества Эйнштейна как физика, но отметил: «Еще студентом он вызывал презрительное отношение профессоров… Он не понимает, как находить общий язык с важными людьми». Благодаря необычайному самопожертвованию Адлера Эйнштейн получил место в университете и начал свое стремительное восхождение по академической лестнице. Он вернулся в Цюрих, но уже не безработным физиком, неудачником и «белой вороной», а профессором. Сняв в Цюрихе квартиру, он с радостью узнал, что Адлер живет в этом же доме этажом ниже; они стали хорошими друзьями.

В 1909 г. Эйнштейн прочел свою первую лекцию на своей первой крупной конференции по физике в Зальцбурге, где присутствовали многие знаменитости, включая и Макса Планка. В докладе «Развитие наших взглядов на природу и состав излучения» он убедительно представил миру формулу E = mc2. Эйнштейн, привыкший экономить на завтраках, изумлялся роскоши, царившей на той конференции. Он вспоминал: «Празднества завершились в отеле “Националь” самым роскошным банкетом, какой мне приходилось видеть в жизни. Это заставило меня сказать женевскому аристократу, сидевшему рядом со мной: “Знаете, что сделал бы Кальвин, окажись он здесь?.. Он воздвиг бы громадный столб и сжег бы всех нас за грешную расточительность”. Тот человек больше не сказал мне ни слова».

В докладе Эйнштейна впервые в истории была ясно и четко представлена слушателям концепция дуализма в физике – концепция, согласно которой свет может обладать одновременно свойствами и волны, как полагал Максвелл в предыдущем веке, и частицы, как полагал Ньютон. Частицей или волной увидит свет наблюдатель, зависит от эксперимента. В низкоэнергетических экспериментах, где длина волны света велика, полезнее волновая картина. Для высокоэнергетического луча, где длина волны света чрезвычайно мала, лучше подходит картина частицы. Позже выяснилось, что эта концепция (которую несколько десятилетий спустя припишут датскому физику Нильсу Бору) отражает фундаментальную природу вещества и энергии и дает богатейший материал для исследований в квантовой теории.

Став профессором, Эйнштейн остался человеком богемы. Один из студентов живо вспоминал его первую лекцию в Цюрихском университете: «Он появился в аудитории одетым довольно бедно, в слишком коротких брюках и с листочком бумаги размером с визитную карточку, на котором он набросал свои заметки к лекции».

В 1910 г. у Эйнштейна родился второй сын Эдуард. Эйнштейн, никогда не любивший подолгу сидеть на одном месте, уже занимался поисками новой работы, в частности потому, что некоторые профессора хотели удалить его из университета. В следующем году ему предложили должность с более высоким жалованьем в Немецком университете Пражского института теоретической физики. По иронии судьбы его кабинет там располагался рядом с лечебницей для душевнобольных. Размышляя над загадками физики, он нередко задумывался и над тем, кто на самом деле здоров – так называемые нормальные люди или обитатели лечебницы.

Тот же 1911 г. был ознаменован первым Сольвеевским конгрессом в Брюсселе, организованным на деньги богатого бельгийского промышленника Эрнеста Сольве, который хотел представить миру работы ведущих ученых. Эта конференция стала важнейшим научным событием своего времени и дала Эйнштейну шанс встретиться и обменяться идеями с гигантами физики. Он увиделся с Марией Кюри, дважды лауреатом Нобелевской премии, и завязал с ней добрые отношения на всю жизнь. В центре внимания ученых на конференции были теория относительности и фотонная теория Эйнштейна. Темой конференции была «Теория излучения и кванты».

Одним из вопросов, живо обсуждавшихся на конгрессе, был знаменитый «парадокс близнецов». Эйнштейн и прежде упоминал о странных парадоксах, связанных с замедлением времени. О парадоксе близнецов первым заговорил физик Поль Ланжевен; он предложил простой мысленный эксперимент, призванный прояснить некоторые кажущиеся противоречия теории относительности. (В то время газеты были полны сенсационными историями про Ланжевена, который был несчастливо женат, и про его скандальный роман с овдовевшей Марией Кюри.) Ланжевен рассматривал двух близнецов, живущих на Земле. Один из близнецов перемещается некоторое время со скоростью, близкой к скорости света, а затем возвращается на Землю. На Земле, допустим, прошло 50 лет, но близнец в ракете за счет замедления времени постарел всего на 10 лет. Когда близнецы наконец встречаются, они оказываются разного возраста – тот из них, кто летал в ракете, на 40 лет моложе своего брата.